CHƯƠNG 1. Acid nucleic là gì? Gồm những loại nào? 2. Acid nucleic và nucleotide khác nhau ở điểm nào? 3. Liên kết phosphodieste là gì? Vẽ hình TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.
Đồng Thị Thanh Thu (), Giáo trình sinh hóa cơ bản Phần 1, ĐHKHTN Tp Hồ Chí Minh. Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi và Lê Doãn Niên (2004), Hóa Sinh Công Nghiệp, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (2000), Hóa sinh học, ĐHSP Hà Nội. 21 Chương 3 ENZYME MỤC ĐÍCH 1.
Trình bày được danh pháp, phân loại và những đặc điểm cấu trúc chung của enzyme 2. Giải thích được cơ chế xúc tác chung của enzyme 3. Phân tích được tính đặc hiệu của enzyme 4. Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme 3.
Khái niệm Trong các tế bào của cơ thể sống luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao đổi chất ngừng thì sự sống không còn tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp các quy luật của rất nhiều phản ứng hoá học khác nhau. Các phản ứng hoá học phức tạp này có liên quan chặt chẽ với nhau và điều chỉnh lẫn nhau.
Enzyme là các hợp chất có bản chất protein xúc tác cho các phản ứng hoá học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống. Chúng có trong tất cả các loại tế bào của cơ thể sống. Enzyme còn được gọi là chất xúc tác sinh học (biocatalysator) nhằm để phân biệt với các chất xúc tác hoá học.
Chất xúc tác sinh học là những sản phẩm sinh vật, do tế bào sản xuất ra với những lượng nhỏ, có tác dụng làm tăng nahnh phản ứng hóa sinh và khi kết thúc phản ứng chúng vẫn không thay đổi so với trạng thái ban đầu 3. Cấu tạo Enzyme có khả năng và hiệu lực xúc tác rất lớn, có tính đặc hiệu rất cao. Để đảm bảo cho chức năng của enzyme là chất xúc tác sinh học, cấu trúc của enzyme phải rất tinh vi và phức tạp. Bản chất protein của enzym Trong sự phát triển của hóa sinh học, bước nhảy vọt đã đạt được khi người ta thực hiện thành công việc tách rút các chất xúc tác sinh học ra khỏi tế bào và nghiên cứu tính chất của chúng, lúc đó người ta nhận biết rằng enzyme có bản chất protein.
Năm 1926, Sumner là người đầu tiên thu được urease ở dạng kết tinh. Cho đến nay 22 đã có khoảng hơn 150 enzyme được rút ra ở dạng tinh khiết. Trong số các enzyme đó, một số đã được biết trọn vẹn về cấu trúc bậc I như ribonuclease, trypsin, chymotrypsin, … Ngày nay người ta xác nhận rằng, các enzyme chính là nhóm protein quan trọng. Chúng được hình thành trong tế bào như các protein đơn giản (enzyme một thành phần) hoặc như các protein phức tạp (enzyme hai thành phần).
Trong số các enzyme thì đa số là enzyme hai thành phần. Dạng hoạt động của enzyme hai thành phần bao gồm phần protein và phần không có bản chất protein gọi là nhóm prostetic (nhóm ngoại, nhóm ghép, …) Enzyme một thành phần là các protein đơn giản thực hiện chức năng xúc tác. Ví dụ: Ribonuclease A và một số enzyme thủy phân protein và một số enzyme khác. Enzym một và hai thành phần Bên cạnh phần protein thì enzyme hai thành phần còn chứa phần không có bản chất protein.
Người ta gọi phần không phải protein cần thiết bắt buộc đối với hoạt động của enzyme là nhóm ghép (nhóm ngoại, nhóm thêm, yếu tố phụ, …) và phần protein vốn liên kết với nhóm đó là apoenzyme, phức hợp của hai thành phần trên là holoenzyme (enzyme hai thành phần). Trong trường hợp nhóm ghép là những chất hữu cơ có trọng lượng phân tử bé được liên kết với phần protein thì nhóm ghép được gọi là coenzyme. Theo cách đó thì: Nếu đứng riêng rẽ thì cả coenzyme cũng như apoenzyme đều không có khả năng xúc tác. Chỉ có lúc nào 2 phần này kết hợp với nhau thì hoạt tính xúc tác của enzyme mới thể hiện.
Bản chất hóa học của coenzyme rất khác nhau: - Một số loại này chính là các vitamin. Sự liên quan về chức năng giữa các vitamin và các coenzyme được giới thiệu ở bảng sau: Bảng 3.1: Sự liên quan về chức năng giữa các vitamin và các coenzyme 23 Coenzyme Chức năng Vitamin tương ứng NAD, NADP - Chuyển H+ và e- PP FAD. FMN - Chuyển H+ và e- B2 Coenzyme A - Vận chuyển gốc acyl Pantotenic acid(B3) - Phân giải háo khí và tổng hợp acid béo Thiamine(B1) Thiaminpyro(P) - Khử carboxyl hóa - Chuyển nhóm aldehyd Pyridoxine(B6) Pyridoxal(P) - Chuyển amine hóa - Khử carboxyl hóa Các ion kim loại có vai trò cần thiết bắt buộc cho sự hoạt động của enzyme. Các ion (cation) có chức năng giống với các coenzyme.
Người ta gọi các ion kim loại đó là các coenzyme đơn giản. Các enzyme cần ion kim loại cho việc thực hiện chức năng của mình được gọi là metalloenzyme. Chức năng của các ion kim loại nói chung phần nhiều là chúng tạo ra các phức hợp giữa một nhóm nhất định nào đó của cơ chất và enzyme. Trước tiên các cation tạo phức “ion kim loại – cơ chất”, sau đó phức hợp này mới phản ứng với enzyme.
Các ion Ca, Cu, Mg, Mn, Mo, Zn, … đều là những ion tham gia trong sự hoạt động của các enzyme. ➢ Phân loại enzyme Dựa vào loại phản ứng mà enzyme xúc tác người ta chia enzyme làm 6 loại (theo đúng trình tự loại số 1→6) Loại Tên Cơ chế phản ứng xúc tác Phản ứng tổng quát enzyme 1 Oxydoreductase Oxy hóa khử (cho nhận điện Akh + Box → Aox+ Bkh tử, hydro, oxy…) 24 2 Transferase Chuyển nhóm hóa học (amin, AB + CD → AC + BD glucosyl, phosphat, acyl, methyl…) 3 Hydrolase Thủy phân (liên kết este, R1R2 + HOH → R1H glycoside, peptide, ete…) + R2OH 4 Lyase Phân cắt (không có nước AB → A + B tham gia) 5 Isomerase Đồng phân hóa (đồng phân A → B quang học, hóa học…) 6 Lygase (gồm cả Tổng hợp A + B → AB Synthetase và synthase) Trong mỗi loại enzyme trên, mỗi loại lại được chia làm nhiều nhóm, mỗi nhóm chia thành nhiều phân nhóm, mỗi phân nhóm gồm nhiều enzyme. Mỗi enzyme được ký hiệu bằng bốn con số: số thứ nhất chỉ loại, số thứ hai chỉ nhóm, số thứ ba chỉ phân nhóm, số thứ tư chỉ thứ tự cảu bản thân từng enzyme trong phân nhóm. Trước 4 chữ số có chữ EC (Enzyme Committee: ủy ban enzyme) 3.
Cơ chế tác dụng của enzym Hầu như tất cả các biến đổi hóa sinh trong tế bào và cơ thể sống đều được xúc tác bởi enzyme ở pH trung tính, nhiệt độ và áp suất bình thường, trong khi đa số các chất xúc tác hóa học khác lại chỉ xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao. Chính nhờ việc tạo được môi trường đặc hiệu (bởi trung tâm hoạt động của enzyme liên kết với cơ chất) có lợi nhất về mật độ năng lượng để thực hiện phản ứng mà enzyme có được những khả năng đặc biệt đã nêu trên. Trong phản ứng có enzyme xúc tác, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa. Khi cơ chất kết hợp vào enzyme, do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng sẽ dẫn tới việc thay đổi động năng cũng như thế năng, 25 kết quả là làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động hơn, nhờ đó phản ứng được thực hiện dễ dàng hơn.
Năng lượng hoạt hóa khi có sự xúc tác của enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp không có xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất xúc tác thông thường. Ví dụ trong phản ứng phân hủy H 2O2 thành H2O và O2 nếu không có chất xúc tác thì năng lượng hoạt hóa là 18 Kcal/mol, nếu có chất xúc tác là platin thì năng lượng hoạt hóa là 11,7 Kcal/mol, còn nếu có enzyme catalase xúc tác thì năng lượng hoạt hóa chỉ còn 5,5 Kcal/mol. Nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy quá trình tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự do thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau: E + S → ES → P + E [Trong đó E là enzyme, S là cơ chất (substrate), ES là phức hợp enzyme-cơ chất, P là sản phẩm (product)] - Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp. - Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.
- Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do. Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước. Với phương pháp nghiên cứu bằng tia X và phương pháp hóa học người ta đã làm sáng tỏ cách thức gắn cơ chất và cơ chế hoạt động của một số enzyme như lysozyme, chymotrypsin, carboxypeptidase A,.
Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn cơ chế phản ứng của carboxypeptidase A.1) thuộc nhóm peptidhydrolase, xúc tác cho sự thủy phân liên kết peptide, phản ứng xảy ra với vận tốc lớn nếu amino acid đầu C là 26 amino acid thơm. Enzyme này cũng thủy phân liên kết ester. Carboxypeptidase A có khối lượng phân tử 34,3. KDa chứa 1 mol Zn/1 mol E.
Zn tham gia trong hoạt động xúc tác của enzyme. Khi thay thế Zn bằng các kim loại hóa trị hai khác sẽ làm thay đổi hoạt độ và có thể cả tính đặc hiệu của enzyme. Trong phân tử enzyme, Zn ở gần bề mặt phân tử, tương tác với gốc His - 69, His - 196 và Glu - 72. Các gốc amino acid có vai trò xúc tác trong trung tâm hoạt động của enzyme là: Arg-145, Tyr-248 và Glu- 270.
Cơ chế phản ứng xúc tác của Carboxypeptidase A được xác định trên cơ sở kết quả nghiên cứu phản ứng của nó với dipeptid glycyltyrosine.